CN1314056C - 螺旋形电感器和变压器 - Google Patents
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Abstract
螺旋电感器在螺旋配线与下穿配线交叉的部分将形成螺旋配线的导电膜层中的至少1层用于下穿配线的形成，由较少的导电膜数形成的交叉部分的螺旋配线的宽度比由较多的导电膜数形成的不交叉的部分的螺旋配线大。
Description
技术领域
本发明涉及螺旋形电感器(SPIRAL INDUCTOR)和变压器(TRANSFORMER)。
背景技术
手机等携带终端要求更小型而且具有高性能。为此，组装于携带终端的例如高频器件等装置的小型化、高性能化得到发展。
在携带终端无线LAN(局域网)，发射频率多使用吉赫频带。过去，在利用吉赫频带的收发信的模拟回路中使用的半导体装置形成在砷化镓基板上。
然而，硅CMOS(互补金属氧化物半导体)的微细化得到发展，在硅基板上的可工作频率提高，与此相随，吉赫频带用的半导体装置也可使用硅基板制作。通过形成于硅基板上，可比形成于砷化镓基板上可更廉价地制造。另外，存在可在1块基板上形成过去制作在硅基板上的数字回路和用于收发信的的模拟回路的优点。
作为用于模拟回路的重要的无源元件，具有螺旋电感器。螺旋电感器的直径为数10μm～数100μm，与晶体管等有源元件相比，占用非常大的面积。因此，为了使具有模拟回路的半导体装置小型化，如可减小螺旋电感器，则更有效。
过去的标准的螺旋电感器由螺旋配线、下穿配线、及插塞配线形成，该螺旋配线由用配置成螺旋状的导电膜层构成的配线形成，该下穿配线从该螺旋配线的内侧的端部引出到外侧，该插塞配线电连接螺旋配线和下穿配线。
螺旋电感器在设于半导体基板上的绝缘膜上形成。作为导电膜层，在砷化镓基板上例如使用金或金合金，在硅基板上，例如使用铝、铝合金或铜等。
如上述那样，通过硅CMOS的微细化，使得在可用于吉赫频带(GHz带)的高频模拟回路的制作中可使用硅基板，从而使半导体装置的小型化得到发展，但为了进行半导体装置的横向的微细化，需要减小用于模拟回路的导电膜层的厚度。这样，螺旋电感器小型化，但当减薄导电膜层的厚度时，螺旋电感器的电阻值增大，性能下降。
因此，作为其解决对策，过去提出有下述那样的方法。
例如，在J.N.Burghartz等，“标准多级配线硅技术中的微波电感器和电容器”，IEEE TRANSACTION ON MICROWAVE THEORYAND TECHNOLOGYS，VOL.44，p.100-104，1996中示出的过去的螺旋电感器使用铝和铜的合金的4层导电膜层制作。半导体基板使用硅基板，在其上的绝缘层上在其间夹有绝缘层地重叠第1导电膜层～第4导电膜层。螺旋配线由插塞配线并联各导电膜层而形成。
这样，通过并联2层以上的导电膜层形成螺旋配线，从而降低螺旋配线的电阻值，提高螺旋电感器的性能。
在该过去的螺旋电感器中，下穿配线由第1导电膜层形成，与螺旋配线由插塞配线进行电连接。
另外，例如在日本特开平9-181264号公报所示的过去的螺旋电感器中，由第2导电膜层形成螺旋配线，由位于其下方的第1导电膜层形成下穿配线。另外，由形成第1导电膜层的下穿配线的区域以外的部分形成螺旋配线，与由第2导电膜层形成的螺旋配线并联。
这样，在该过去的螺旋电感器中，对于螺旋配线中的并联多个导电膜层的部分，导电膜层实质上变厚，所以，降低了电阻值。
然而，在这些过去的螺旋电感器中，下穿配线和与上述第2已有技术例的下穿配线交叉的区域的螺旋配线由较少的导电膜层形成，所以，该部分的电阻值不能下降。
另外，在大部分电流流到螺旋电感器的场合，存在以下那样的问题。
在将螺旋电感器用于例如无线通信的发送回路的那样的大部分电流流动的回路的场合，与提高螺旋电感器的性能相比，防止电迁移(断线)的发生成为更为重要的课题。电迁移由配线中的电子流使配线中的金属原子移动、引起缺陷而发生。
在上述过去的螺旋电感器中的由较少导电膜层形成的部分，易于发生电迁移。具体地说，由上述J.N.Burghartz等人公开的螺旋电感器中的下穿配线、由日本特开平9-181264号公报公开的螺旋电感器中的下穿配线和与其交叉的螺旋配线的部分就属于这样的部分。因此，即使螺旋配线部分由2层或其以上的导电膜层形成，从可靠性考虑，在该螺旋电感器中，也仅是可在由1层形成的下穿配线部分流动的电流可流动。
在过去的螺旋电感器中，为了防止电迁移，可考虑以下那样的方法。
1个方法是增大下穿配线的宽度，提高下穿配线部分的电迁移阻力。然而，当增大接近半导体基板的下穿配线的宽度时，下穿配线与半导体基板之间的寄生容量与其成比例地增加，螺旋电感器的性能降低。另外，由于螺旋配线与下穿配线的相向面积也增大，所以，存在于其间的寄生容量也增加，这也成为螺旋电感器的特性变差的原因。
作为别的方法，还具有这样的方法，即，并联最接近半导体基板的2层导电膜层，形成下穿配线，螺旋配线仅由最上层形成。按照该方法，下穿配线成为2层，电迁移的阻力增大。另外，与上述的方法相比，可抑制由下穿配线带来的寄生容量的增加。然而，为了获得与由2层形成螺旋配线的场合相同的电感，需要在增大配线的宽度的同时增大螺旋配线的直径，从而需要使面积相应增大。
为了这样在过去的螺旋电感器中防止电迁移，寄生容量增加，性能变差，或螺旋配线的面积增大。即，存在必须牺牲性能或面积任一方的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的问题而作出的，其目的在于获得可抑制电迁移、不降低螺旋电感器的性能而且小型的螺旋电感器。
本发明的螺旋电感器由在半导体基板上夹住绝缘体配置的n层(n≥2)的导电膜层形成；其中：具有螺旋配线和下穿配线，该螺旋配线通过将电连接的沿上下方向邻接的i层(2≤i≤n)的导电膜层配置成螺旋状而形成，该下穿配线由电连接的沿上下方向邻接的k层(1≤k≤n-1)的导电膜层形成，电连接于螺旋配线的内侧的端部；在螺旋配线与下穿配线交叉的部分，形成螺旋配线的导电膜层中的沿上下方向邻接的j层(1≤j＜i)用作形成下穿配线的导电膜层，与下穿配线交叉的部分的螺旋配线中的宽度最狭小的部位的宽度比不与下穿配线交叉的部分的螺旋配线中的宽度最狭小的部位大。
这样，可抑制电迁移，同时，不降低螺旋电感器的性能，而且可获得小型的螺旋电感器。
附图说明
图1为本发明实施形式1的从上面观看螺旋电感器的示意图。
图2为示出本发明实施形式1的螺旋电感器的配线的尺寸的图。
图3为本发明实施形式1的螺旋电感器的配线的透视图。
图4为本发明实施形式1的螺旋电感器的配线的分解透视图。
图5为图1的A-B方向的断面图。
图6为本发明实施形式2的从上面观看螺旋电感器的示意图。
图7为本发明实施形式2的螺旋电感器的配线的透视图。
图8为本发明实施形式3的从上面观看螺旋电感器的示意图。
图9为本发明实施形式3的螺旋电感器的透视图。
图10为本发明实施形式4的从上面观看螺旋电感器的示意图。
图11为本发明实施形式4的螺旋电感器的配线的透视图。
图12为本发明实施形式4的简化了螺旋电感器的图。
图13为本发明实施形式5的从上面观看变压器的示意图。
图14为本发明实施形式5的变压器的透视图。
图15为本发明实施形式5的简化了变压器的图。
具体实施方式
下面为了更详细地说明本发明，参照附图说明用于实施本发明的最佳形式。
实施形式1
图1为实施形式1的从上面观看螺旋电感器100的示意图。图3为螺旋电感器100的透视图，图4为用于说明配线间的位置关系的沿上下方向分割螺旋电感器100的透视图。另外，图5为图1的A-B方向的断面图。
如图3、图4、图5所示，螺旋电感器100在半导体基板80上设置形成第1金属配线30、第2金属配线40、第3金属配线50的导电膜层。在各导电膜层间设置例如厚1μm的绝缘体90。第2金属配线40如图4所示那样由金属片40a、40b、40c形成。
另外，螺旋电感器100如图4所示那样由下穿配线10和螺旋配线20构成。
下穿配线10如图4所示那样，通过由多个第1触头配线60并联第1金属配线30与金属片40c而形成。
螺旋配线20如图4所示那样，在正下方具有下穿配线10的部位，仅由第3金属配线50构成，在正下方的没有下穿配线10的部位，由第2触头配线70并联第3金属配线50与第2金属配线40而形成。
图2为示出螺旋电感器100的配线的尺寸的图。如图所示那样，形成螺旋配线20的第3金属配线50的宽度在正下方的没有下穿配线10的直线部例如为20μm。另一方面，在正下方的存在下穿配线10的直线部例如设为30μm，宽度增大。
另外，关于第2金属配线40，对形成螺旋配线20的部分(金属配线40b、40c)将宽度形成为20μm，关于形成下穿配线10的部分(金属配线40a)，形成30μm。形成下穿配线10的第1金属配线30的宽度为30μm。
这样，关于螺旋配线20，并联第3金属配线50与第2金属配线40的部分形成为较窄的宽度(20μm)，仅由第3金属配线50形成的部分形成得较宽(30μm)。另外，由第1金属配线30和第2金属配线40形成的下穿配线10的宽度为30μm。
通过增大这样由较少的层形成的部分的宽度，在螺旋电感器100的任何部分，都可不发生电迁移。另外，按照该构成，可避免下穿配线10的宽度变得过宽导致的寄生容量的增加的问题。另外，可进一步减小螺旋电感器100所占面积。
各配线的宽度从使螺旋电感器100小型化的观点出发，最好选择不发生电迁移的下限的宽度。
另外，在实施形式1中，如图5所示那样，螺旋电感器100由绝缘体90围住，但如各金属配线的构造受到支承而且被绝缘，则也可为例如多个绝缘体的叠层构造。另外，也可为一部分空心或包含与螺旋电感器100绝缘的导电体的构造。
另外，各金属配线与触头配线可由不同的材料形成，也可例如使用铜的金属镶嵌构造那样由相同材料同时形成。
另外，在该实施形式1中，虽然触头配线为圆筒状的导电体，但如可电连接上下的配线间，则也可为其它形状。例如，也可为由导电体充填沿螺旋配线的配线方向设置的槽的那样的板状的触头配线。
另外，也可通过综合调整形成第1～第3的金属配线的导电膜层的厚度，从而决定各配线构造。例如，如使最上层(第3金属配线50的导电膜层)增厚，则配线的宽度可更窄。
另外，在实施形式1中，作为半导体基板使用了硅基板，但例如也可使用SiGe基板或层叠了多种半导体的基板或在其间夹住绝缘体的SOI(绝缘体硅)那样的基板。
如以上那样按照该实施形式1，在具有3层的导电膜层的螺旋电感器100中，对于下穿配线10处于正下方的部位，增大配线宽度，以代替由1层的导电膜层形成螺旋配线20；对于正下方没有下穿配线10的部位，减小配线的宽度，以代替由2层的导电膜层形成螺旋配线20，所以，可在螺旋电感器100的各部抑制电迁移，同时，不降低螺旋电感器100的性能，而且可抑制面积的增加。
螺旋电感器100不限于具有3层导电膜层的构成，如为2层或其以上，则也可具有任意层数的导电膜层。即使在具有3层或其以上的导电膜层的场合，也不需要将其所有的导电膜层用于螺旋配线，只要使用2层或其以上的任意的导电膜层形成螺旋配线即可。此时，最好使用从半导体基板离开的上层的导电膜层构成螺旋电感器，从而可减少半导体基板与螺旋电感器之间的寄生容量，可获得更高性能的螺旋电感器。
实施形式2
螺旋电感器的外形不限于实施形式1那样的四边形，也可为五边形或其以上的边数的多边形。另外，螺旋电感器的2个端子的方向不限于如实施形式1那样的180度。
例如也可如图6和图7所示螺旋电感器200那样，由八边形的形状朝90度的方向引出端子。关于图中的符号，与图1和图3相同的符号表示相同的构成要素。
如图所示那样，对于下穿配线10处于正下方的直线部分(八边形的1边)，配线宽度比在正下方没有下穿配线10的直线部分大。
这样，无论螺旋电感器的外形和端子的方向如何，都可获得与实施形式1同样的效果。
实施形式3
另外，螺旋电感器的外形也可如图8和图9所示螺旋电感器300那样由曲线形成。关于图中的符号，与图1和图3相同的符号表示相同的构成要素。
如图8所示那样，通过由第2触头配线70连接第2金属配线40与第3金属配线50，从而在形成螺旋配线20的部位，图的上半部的配线宽度变窄。对于仅由第2金属配线40形成螺旋配线20的部位，按一定的较宽的宽度形成。
配线宽度不同的部分相互的连接最好如图8和图9所示那样平滑地改变配线宽度地连接。
螺旋电感器300的对电迁移的阻力在螺旋配线各部(2层部分和1层部分)按宽度最窄的部分的值考虑即可。
这样，即使螺旋电感器的外形由曲线形成，也可获得与实施形式1同样的效果。
实施形式4
实施形式1～3都为2端子螺旋电感器，但也可在螺旋电感器的途中具有1个或其以上的引出线。
图10为本发明实施形式4的从上面观看螺旋电感器40的示意图。图11为螺旋电感器400的透视图。螺旋电感器400具有2层导电膜层，由上侧的导电膜层形成第2金属配线41，由下侧的导电膜层形成第1金属配线31。
螺旋电感器400具有第1下穿配线11(端子Y)和第2下穿配线12(端子Z)。端子Z为从螺旋配线的途中的引出线，端子Y为螺旋配线的内侧的端的端子。螺旋电感器400可如图12所示那样简化地表示。
第1下穿配线11和第2下穿配线12由第2金属配线31的一部分形成。
另外，螺旋配线在第1下穿配线11和第2下穿配线12处于正下方的部位仅由第2金属配线41形成。对于其它部分，由第1触头配线61并联第2金属配线41与第1金属配线31形成。
螺旋配线的配线宽度在第1下穿配线11和第2下穿配线12处于正下方的直线部比正下方没有的直线部宽。
通过形成为这样的构造，可获得与实施形式1同样的效果。
关于分别形成其端子的下穿配线，最好分别设定与流动的电流量相应的配线宽度。
另外，最好由使两端的端子X、Y中的利用2层的金属配线构成的外侧的端子流过更多电流地设定。这样，可减少在第1下穿配线11中流动的电流量，所以，可抑制第1下穿配线11的配线宽度。这样，可抑制第1下穿配线11和半导体基板或第1下穿配线11与其上的下穿配线间的寄生容量，可获得更高性能的螺旋电感器。
实施形式5
实施形式1～4都为一个螺旋电感器的例子，但即使为组合2个螺旋电感器的变压器也可由同样的构造获得同样的效果。
图13为本发明实施形式5的从上面观看变压器500的示意图。另外，图14为变压器500的透视图。
变压器500由端子W与端子X的组形成1个螺旋电感器，由端子Y与端子Z的组形成另一螺旋电感器。变压器500可如图15所示那样简化地表示。
另外，变压器500具有2层的导电膜层，由上侧的导电膜层形成第2金属配线42，由下侧的导电膜层形成第2金属配线32。
第1下穿配线13(端子X)和第2下穿配线14(端子Z)由第2金属配线32的一部分形成。另外，螺旋配线在第1下穿配线13和第2下穿配线14处于正下方的部位仅由第2金属配线42形成。对于其它部分，通过由第1触头配线62并联第2金属配线42与第1金属配线32而形成。
螺旋配线的配线宽度在第1下穿配线13和第2下穿配线14处于正下方的直线部(图中垂直方向的配线)比正下方没有的直线部(图中水平方向的配线)更宽。
通过形成为这样的构造，在变压器500也可获得与实施形式1相同的效果。
在由直线状的配线构成螺旋配线的场合，可采用与下穿配线交叉的宽度较宽的直线部分的一部分由较少的配线层形成的构造(例如实施形式1或实施形式4等)，或如实施形式5那样与下穿配线交叉的宽度较大的直线部分的整体由较少的配线层形成的构造。
在任一构造中，可抑制电迁移。另外，螺旋电感器的占有面积没有差别。然而，在前者中，由于金属配线较宽的部分接近导体基板，所以，寄生电阻可降低，但寄生容量增加。另外，在后者中，存在寄生容量降低而其电阻增大的得失。
为此，在使用螺旋电感器或变压器的回路的工作频率较低的场合，选择前者，在工作频率较高的场合选择后者，从而可在该频率降低影响更大的寄生成分的效果。
产业上利用的可能性
如以上那样，本发明的螺旋电感器适合于抑制电迁移、实施高性能、小型的螺旋电感器。
Claims (3)
1.一种螺旋电感器，在半导体基板上由夹住绝缘体配置的大于等于2层的导电膜层形成；其特征在于：
具有螺旋配线和下穿配线；
该螺旋配线通过将电连接的沿上下方向邻接的至少大于等于2层的上述导电膜层配置成螺旋状而形成，
该下穿配线由电连接的沿上下方向邻接的至少大于等于1层的上述导电膜层形成，电连接于上述螺旋配线的内侧的端部；
在上述螺旋配线与下穿配线交叉的部分，形成上述螺旋配线的导电膜层中的沿上下方向邻接的至少1层用作形成所述下穿配线的导电膜层，
与所述下穿配线交叉的部分的螺旋配线中的宽度最狭小的部位的宽度比不与所述下穿配线交叉的部分的螺旋配线中的宽度最狭小的部位的宽度大。
2.根据权利要求1所述的螺旋电感器，其特征在于：具有第2下穿配线，该第2下穿配线由电连接的沿上下邻接的至少1层的导电膜层形成，电连接到上述螺旋配线的两端以外的部位；
在上述螺旋配线与上述第2下穿配线交叉的部分，形成上述螺旋配线的导电膜层中的沿上下方向邻接的至少1层用作为形成上述第2下穿配线的导电膜层，
与上述第2下穿配线交叉的部分的螺旋配线中宽度最窄的部位的宽度比不与上述第2下穿配线交叉的部分的螺旋配线中宽度最窄的部位的宽度大。
3.一种变压器，组合2个权利要求1或2所述的螺旋电感器。
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